三類屈服的強(qiáng)度辨析

來(lái)源：天氏庫(kù)力發(fā)布日期 2024-11-23 瀏覽：

在談到材料的“彈性設(shè)計(jì)”時(shí)，大家或許可以不去過(guò)分關(guān)注材料的抗拉強(qiáng)度，也無(wú)需在意其斷后延伸率，但材料的屈服強(qiáng)度卻是無(wú)法忽略的核心指標(biāo)。屈服強(qiáng)度不僅決定了材料在受力時(shí)何時(shí)開(kāi)始發(fā)生塑性變形，還在很大程度上影響了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和使用壽命。因此，屈服強(qiáng)度作為材料在力學(xué)性能中的關(guān)鍵參數(shù)，尤其在金屬材料的機(jī)械性能測(cè)試中具有重要的評(píng)價(jià)意義。本文小編將系統(tǒng)性地分析屈服強(qiáng)度的上下屈服強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度，從定義、測(cè)試方法到其實(shí)際應(yīng)用，全面闡釋屈服強(qiáng)度在工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用中的重要性。

一、屈服強(qiáng)度的基本概念

屈服強(qiáng)度（Yield Strength）是指材料在拉伸或壓縮等外力作用下，開(kāi)始產(chǎn)生不可逆的塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)這個(gè)臨界點(diǎn)后，材料的應(yīng)變不再完全恢復(fù)，出現(xiàn)永久性變形。屈服強(qiáng)度是材料在塑性階段的強(qiáng)度表征，對(duì)許多工程材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，尤其在結(jié)構(gòu)材料的選擇中，屈服強(qiáng)度是決定材料能否承受一定荷載的關(guān)鍵指標(biāo)。

“屈服強(qiáng)度”的類別指的是常見(jiàn)的——上屈服強(qiáng)度ReH、下屈服強(qiáng)度ReL、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2（應(yīng)變0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度）。

上屈服強(qiáng)度，下屈服強(qiáng)度

上屈服強(qiáng)度（Upper Yield Strength）是應(yīng)力剛剛達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)的最大應(yīng)力值，通常是材料發(fā)生屈服的瞬間應(yīng)力。上屈服強(qiáng)度標(biāo)志著材料開(kāi)始進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。上屈服強(qiáng)度的出現(xiàn)主要是由于材料內(nèi)部的位錯(cuò)滑移開(kāi)始進(jìn)行，而材料表面卻尚未充分滑移，導(dǎo)致應(yīng)力暫時(shí)增高。

下屈服強(qiáng)度（Lower Yield Strength）是材料在塑性流動(dòng)階段應(yīng)力趨于平穩(wěn)的應(yīng)力值。它代表了材料在屈服平臺(tái)上穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的應(yīng)力水平。與上屈服強(qiáng)度相比，下屈服強(qiáng)度更接近材料在實(shí)際工作中承受的應(yīng)力狀態(tài)，因此常用來(lái)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考值。

上屈服強(qiáng)度ReH、下屈服強(qiáng)度ReL處在同一種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的不同位置。

如圖1所示某鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線，ReH、ReL分別代表材料屈服階段的最大值和最小值。

圖1中的淺藍(lán)色曲線是截取的深藍(lán)色曲線彈性階段曲線的放大版（橫向擴(kuò)大100倍）。

Rpl=241MPa指的是彈性極限，在此之前，材料在外荷載作用下，表現(xiàn)為純線性，卸除荷載之后，材料可以完全恢復(fù)原始狀態(tài)，彈性極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.0012；然后是ReH——上屈服強(qiáng)度262MPa，緊接著應(yīng)力驟降至ReL——下屈服強(qiáng)度248MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.03，是彈性極限的25倍；再然后材料歷經(jīng)應(yīng)變硬化階段直至達(dá)到抗拉極限Ru=434MPa；最后在頸縮過(guò)程中達(dá)到斷裂，Rf——破環(huán)強(qiáng)度324MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.38，是彈性極限的317倍！

對(duì)于不同的材料，有的要求取上屈服強(qiáng)度，有的要求取下屈服強(qiáng)度。例如，延性較弱的螺栓，發(fā)生破壞的時(shí)候比較突然，保守考慮一般取下屈服強(qiáng)度ReL，而延性較好的合金鋼Q355B，破壞過(guò)程明顯相對(duì)肉眼可見(jiàn)，一般要求上屈服強(qiáng)度ReH即可。

一般低合金鋼的上屈服強(qiáng)度比下屈服強(qiáng)度高出10%左右，如表1所示某低合金鋼實(shí)測(cè)ReH、ReL。

規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度

最后一個(gè)是規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2。

規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度（Proof Stress at Specified Plastic Elongation），也稱為規(guī)定屈服強(qiáng)度，是指材料在達(dá)到某一預(yù)設(shè)永久變形（通常為0.2%）時(shí)的應(yīng)力值，用符號(hào)Rp0.2表示。與上下屈服強(qiáng)度不同，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度適用于沒(méi)有明顯屈服平臺(tái)的材料，如高強(qiáng)度合金、硬化后的金屬材料等。

在測(cè)量規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度時(shí)，通常使用應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的補(bǔ)償法，即沿彈性段曲線的斜率平移一條直線，直線與曲線的交點(diǎn)處的應(yīng)力即為規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度。這個(gè)指標(biāo)對(duì)于那些塑性流動(dòng)階段不顯著的材料尤其重要，因?yàn)樗茌^好地表征材料的抗變形能力。

這個(gè)參數(shù)是針對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒(méi)那么標(biāo)準(zhǔn)，以至于難以找到屈服強(qiáng)度（無(wú)論是ReH還是ReL）的材料，典型如鋁。

對(duì)于這類屈服點(diǎn)不甚顯著的材料，行業(yè)一般采用“偏移法”選定材料屈服強(qiáng)度。

所謂“偏移法”是什么意思？

雖然這類材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不像低碳鋼那么典型，但是有一點(diǎn)是一致的——曲線前期都是線性的。業(yè)內(nèi)正是利用這一點(diǎn)，將純線性的前一段沿應(yīng)變軸平移0.002（即0.2%），然后把平移之后的直線與原曲線的交點(diǎn)定為材料的屈服強(qiáng)度（如圖2所示）。

值得說(shuō)明的是，除了金屬，檢測(cè)塑料的屈服強(qiáng)度有時(shí)候也可以采用0.2%偏移法。而有的金屬材料并不以0.2%對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，而是以其他更大的應(yīng)變（比方說(shuō)0.4%）對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度作為屈服強(qiáng)度。

雙柱拉力試驗(yàn)機(jī)示意圖

屈服強(qiáng)度的測(cè)試方法

屈服強(qiáng)度的測(cè)試一般通過(guò)拉伸試驗(yàn)進(jìn)行。將試樣裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，逐步增加負(fù)荷，并記錄試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)曲線從線性關(guān)系轉(zhuǎn)為非線性時(shí)，即為屈服點(diǎn)。對(duì)于具有上下屈服現(xiàn)象的材料，應(yīng)測(cè)得上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度；對(duì)于無(wú)明顯屈服平臺(tái)的材料，則通過(guò)規(guī)定塑性延伸法獲得屈服強(qiáng)度。

常見(jiàn)的測(cè)試步驟：

準(zhǔn)備試樣：加工符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣。
夾持試樣：將試樣固定在拉伸試驗(yàn)機(jī)上。
加載測(cè)試：在逐步增加負(fù)荷的過(guò)程中記錄應(yīng)力和應(yīng)變。
讀取屈服點(diǎn)：觀察應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的屈服轉(zhuǎn)折點(diǎn)，確定屈服強(qiáng)度值。
規(guī)定屈服強(qiáng)度測(cè)量：對(duì)于沒(méi)有屈服平臺(tái)的材料，按預(yù)設(shè)的塑性變形標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屈服點(diǎn)計(jì)算。

屈服強(qiáng)度作為材料在塑性變形階段的重要參數(shù)，涵蓋了上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度以及規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度三個(gè)方面。對(duì)于不同類型的材料和應(yīng)用場(chǎng)景，這些屈服強(qiáng)度參數(shù)提供了具體的強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)。在材料的工程應(yīng)用中，合理利用和理解不同屈服強(qiáng)度的含義和測(cè)試方法，可以提高結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率和使用安全性。

雙柱拉力試驗(yàn)機(jī)示意圖